基于银硫系化合物Ag-Ge-Te阻变存储器件的制备与机理研究文献综述

 2023-08-07 15:32:50

文献综述(或调研报告):

1、概述

忆阻器是具有记忆能力的非线性电阻器件,是独立于电阻R,电容C,电感L的第四种双端无源器件。1971年,华裔科学家蔡少棠(Leon Chua)根据电荷(q)、电流(I)、电压(V)和磁通量(phi;)之间的关系推断出:存在一类元件可以联系电荷与磁通量的关系,它被视为电路中所缺失的“第四元素”,称之为忆阻(M),其定义为dphi;=Mdq[1]。忆阻器的电阻值将随着电流的变化而变化,当电流撤去后,元件的仍然保留之前的电阻值,即在关掉电源后,器件仍能“记忆”通过的电荷,由此展现出很多非线性特性。只有受到反向电流的作用,电阻值才能返回到初始状态[2]。忆阻器理论提出后,由于技术限制,该理论并未得到关注。直到2008年,由美国HP实验室Stanley Williams 领军的团队在研究二氧化钛时,发现了二氧化钛在某些情况奇特的电子特性[3]。HP 实验室使用纳米压印技术制备的50 nm 厚,线宽50 nm 的Pt/TiO2/Pt 忆阻器件并在Nature杂志上发表了The missing memristor found 一文,引发广泛关注。2014年6月,美国惠普公司发布了全新一代的计算机架构,以忆阻器作为其全新架构的核心器件,并且将这种全新的架构命名为“The Machine[4]。忆阻器具有非易失特性,在掉电之后能够保证存储的信息不丢失,可用于模拟突触,能很好地解决传统神经网络存在的问题,从而实现大规模的神经网络,从而模拟人类特有的记忆功能。此外,忆阻器具有高速、低功耗、高集成度、兼具信息存储与计算功能等特点,被认为是最有潜力的未来逻辑运算器件,将推动逻辑运算理论与计算体系结构的全面变革,为从根基上颠覆传统冯·诺依曼计算架构和整个计算机体系奠定器件基础[5]

在忆阻器结构中,阻变介质材料和电极材料是影响阻变存储器性能的关键因素。在众多的阻变介质材料中,银硫系化合物作为一类多用途的固体电解质材料受到人们的广泛关注。由于硫系化合物特有的相变开关特性,使Ge-Te非晶态合金一直为科研界和工业界关注的焦点[6],而三元硫系化合物Ag-Ge-Te由于Ag的加入,改变了Ge原子的局部顺序,提高了非晶态GeTe材料的热稳定性,被认为是一种具有快离子导体性质的固体电解质材料[7]。因此,对AgGeTe忆阻器的相变性能、存储性能以及磁阻性能进行研究是很有意义的。

2、制备方法

(1)电极制备

Pt 和 Ag 两种金属电极薄膜作为器件的电极材料时,可使用磁控溅射法沉积生长。溅射镀膜是一种与气体放电现象相关的薄膜沉积技术,其本质是在真空中充入放电所需的常见惰性气体(通常为氩气),通过外加强电场,导致辉光放电现象,产生大量阳离子,产生的阳离子在电场下被加速,产生离子流,以较高能量轰击作为原材料的靶材。一旦轰击靶材的离子动能超过了靶材原子的结合能,靶材表面的原子就会脱离而出,飞向另一侧的阳极,最终沉积为薄膜[8]

溅射法的优点[9]在于:①能够快速实现大面积的沉积,并且几乎所有的化合物和金属都可溅射法制备,而可选的材料基底也较多,靶材的形状和大小要求不高;②溅射法的薄膜沉积速率较容易控制,因而薄膜厚度的重复性较好;③所用气体化学性质稳定,多为氩气和氮气,安全可靠;④溅射法制备的薄膜均匀且致密,对基底的附着力也很强,对实验研究而言,是一种简单有效的沉积方法。

(2)电解质材料制备

电解层薄膜可使用脉冲激光沉积法制备。利用脉冲激光沉积法(PLD)制备薄膜的主要机理是:固体靶材受到经聚焦后的激光束的照射,被照射区域将吸收激光束的能量,靶材表层附近的物质将迅速升温至沸点以上,并以等离子体的形式被熔化烧蚀。烧蚀物沿表面层法向喷出,从而沉积在衬底上并且成核生长形成薄膜[10]。由于激光烧蚀的过程十分迅速使得薄膜成分和靶材成分保持一致,这也是PLD沉积技术的优点之一。

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